黑龙江省自然科学基金（Ｆ２００８０４）
作者简介：周真（１９６１一），男，教授，博士生导师，主要研究方向为测试计量技术与仪器、生物信息检测等。
万方数据
２６９０
红外与激光工程
第４１卷
０引言
半导体激光器（ＬＤ）因其体积小、寿命长、易调制
等特点被广泛应用于光测量系统中。在光测量系统
２温度控制系统
温度对半导体激光器输出功率的影响主要为其 外微分量子效率啦和阈值电流厶的大小随温度变 化，导致的半导体激光器输出功率的变化。线性度较 好的激光器，其输出光功率可表示为：
中，光源的稳定性直接影响系统的测量结果，因此对 ＬＤ的输出光功率稳定性有较高要求阻】。国内优质ＬＤ 激光器输出稳定度在ｌ％～０．１％之间，且比较昂贵。 在ＬＤ的使用过程中，随着注入电流的增加，有 源区所产生的热量将会引起ＬＤ工作温度的升高， 从而影响ＬＤ的驱动电流阈值以及激光输出功率，
对正常使用造成较大影响晗］。因此高性能的ＬＤ驱动
图３ ＰＩ控制电路原理图
Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ
功率二极管ＰＤ检测ＬＤ输出光功率大小来控制注 人电流的增加或减少，控制注入电流与阈值电流的 差值以得到稳定的功率输出，这种方法被称为自动 功率控制，且不需要高的温度控制嘲。为了得到波长 与功率都稳定的ＬＤ光源，采用自动电流控制驱动， 其原理如图５所示。
第４１卷第１０期
Ｖ０１．４１ ＮＯ．１０
红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１２年１０月 Ｏｃｔ．２０１２
小功率半导体激光器的驱动方法设计
周真・．一，齐忠亮１，２，秦勇１，２ （１．哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０； ２．黑龙江省高校测控技术与设备重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ；
ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；
收稿Ｅｔ期：２０１２—０２—０５；
修订Ｅｔ期：２０１２—０３—０９
基金项目：黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划（１２５１Ｇ０２３）；哈尔滨理工大学青年科学研究基金（２００９ＹＦ０１３）
ｏｎ
Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ＆Ｃｏｎ口ｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ １５００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ｈｅｉｌｏｎ鲥ｉａｎｇ
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ（ＬＤ） ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅ—Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｈａｒｂｉｎ １５００８０．Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ Ｈｉｇｈｅｒ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ
调整‰，可以线性调整ＬＤ的驱动电流，即ＬＤ的
输出光功率。其中，电流反馈电阻的精度直接影响自
动电流控制系统的精度，因此，选用２ Ｑ／０．１％的精密
万方数据
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红外与激光工程
第４ｌ卷
电阻作为反馈电阻。
３．１
起的恒温系统不正常工作，文中设计了一个温度警 报电路，该电路功能是监视ＬＤ的实时工作温度，当 工作温度超出警报值时，警报灯亮，提示ＬＤ工作温
ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ
万方数据
第１０期
周真等：小功率半导体激光器的驱动方法设计
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考虑系统工作的灵活性与级间放大影响，选用ＰＩ并 行结构设计，实现对ＬＤ工作温度的精确控制功能， 电路原理图如图３所示。
ＰＮＰ型三极管，当基极电压升高时Ｑ。导通，Ｑ２截止； 同理三极管Ｑａ截止，Ｑ４导通，即当故为正信号时三
ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｏｒ ＬＤ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｆ ２０
ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ
ｔｈａｔ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ
ｍＷ
ｌａｓｅｒ，ｓｙｓｔｅｍ
ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ
ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ＯＵｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ０．２％． ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｏｌｉｎｇ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｏｓｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗａｓ ０．５ ｍＡ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｏｕｒｃｅ，ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ
ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｔｒｅａｔｅｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＰＩ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ
摘
要：在光散射测量系统中，半导体激光器（ＬＤ）的工作稳定性直接影响检验结果。为了得到稳定的
光功率输出，设计了包含自动温度控制与自动电流控制的ＬＤ驱动系统。应用０．５ ｍＡ恒流源对ＰＴｌ００ 温度传感器供电，将ＬＤ工作温度转化为电压信号，经前置放大电路与电压比较电路处理后，通过ＰＩ 控制半导体制冷实现恒温控制系统；根据闭环负反馈原理设计自动电流控制系统以及相应的辅助电 路，能为ＬＤ提供稳定的、连续可调的驱动电流。经实验表明，系统在驱动额定功率为２０ ｍｗ下工作 时，可保证激光器输出功率稳定性优于０．２％。 关键词：半导体激光器；
ＤＬ）０２６．动自
图２温度采样电路原理图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍｍｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
２．２比例积分微分（ＰＩＤ）控制
图ｌ系统原理框图
Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ＰＩＤ控制是精确测量控制中普遍使用的控制方 法，结构简单、可调节性强。在温度控制设计中综合
激光器输出波长以及阈值的变化，良好的温度控制可 有效的减小由于温度变化导致的ＬＤ输出激光参数 的改变㈣。ＬＤ属于电流注入驱动器件，其输出光功率 取决于注入电流与阈值电流的差值，所以，在保证温 度稳定的同时，以恒定的注入电流驱动ＬＤ，即可得到 稳定的功率输出畸１。系统采用ＰＴｌ００温度传感器设计 温度采样电路测量ＬＤ的工作温度，通过ＰＩ控制驱动 半导体制冷器（ＴＥＣｌ—１２７０６）实现ＬＤ的恒温控制；根 据负反馈原理应用仪用放大器（ＡＤ 电流驱动电路，系统原理如图ｌ所示。 设计
极管Ｑ。、Ｑ４构成回路驱动ＴＥＣ。反之，若玩为负值
时，则Ｑ４、Ｑ。导通驱动ＴＥＣ，且电流方向反向。
３自动电流控制
从公式（１）Байду номын сангаас可看出，影响ＬＤ输出功率的主要 是ＬＤ的阈值电流ｋ以及其驱动电流如的大小。当 温度一定时，即ＬＤ的阈值稳定，保证注入电流的大 小稳定就可以得到一个功率稳定的激光输出，这种 驱动方法被称为自动电流控制；由于ＬＤ的光功率 是与注入电流和阈值电流的差值成正比的，采用光
中图分类号：ＴＨ７４４
自动电流控制；
文献标志码：Ａ
温度控制；
半导体制冷
文章编号：１００７—２２７６（２０１２）１０—２６８９—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ
Ｚｈｏｕ
Ｚｈｅｎｌ一，Ｑｉ Ｚｈｏｎｇｌｉａｎ９１”，Ｑｉｎ Ｙｏｎ９１＇２
２．３半导体制冷器驱动
半导体制冷器（ＴＥＣ）是电流型驱动器件。只要改 变驱动电流的大小与方向，就能调节ＴＥＣ的功率与 制冷或制热”１。因为ＬＤ在工作过程中将会产生大量 的热量，使其工作温度升高，ＬＤ连续工作，将会不断 的产生热量，所以ＴＥＣ只实现制冷功能，降低ＬＤ的 工作温度，当温度低于设定温度值时，ＴＥＣ停止工 作，当温度高于温度设定值时，ＴＥＣ工作制冷，如此 达到热平衡效果，实现ＬＤ的工作温度稳定控制效
果。ＴＥＣ驱动电路原理如图４所示。
蹦５自动电流控制原理囝
Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＡＣＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ
由电路分析可知，ＬＤ的驱动电流岛与控制电
压‰的关系为：
一ＶＣＣ
页鬲ｕ．尥 ｚＱ＝丽ｔ．ｕ，．尥Ｕｓｅｒ
＾
ｕ， （２）
式中：Ｇ为仪用放大器放大倍数，可通过电阻如调
图４ ＴＥＣ驱动电路原理图
Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ
整；ａ为反馈网络放大倍数。当电路参数固定后，ａ、 Ｇ、尺。、Ｒ。都是固定值，则从公式（２）中可以看出，ＬＤ 驱动电流，ｏ与电压设定值Ｕ妍成正比例关系，通过
ｏｆ ＴＥＣ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
如图所示，由放大器（ＯＰ０７）分别构成正反比例 放大器Ｕ１、Ｕ２，且放大倍数相同，当控制信号％为 正时，放大器Ｕ１输出一个正值信号，抬高三极管 Ｑｔ、Ｑ。的基极电压，由于Ｑ。、Ｑ：分别选用ＮＰＮ型与
ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｏｂｔａｉｎ
ｓｔａｂｌｅ ｏｕｔｐｕｔ
ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ，ａ ｓｙｓｔｅｍ
ｔｏ
ｄｒｉｖｅ ＬＤ ｗａｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．ＰＴｌ００
值‰时保护闭合，ＬＤ短路，防止被烧坏。同时，还
包括一个警报电路，用一个ＬＥＤ小灯的暗与亮来提 示操作者ＬＤ是否正常工作。当ＬＤ正常工作时， ＬＥＤ不发光，当ＬＤ处于短路保护时，红色ＬＥＤ小 灯亮，具体原理如图６所示。